３個(gè)種源池杉幼苗對干旱脅迫的生理響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)

覃奎 劉秀 馬道承 王凌暉

摘要：本試驗(yàn)探究不同種源池杉幼苗的抗旱性差異，以期為其引種馴化、抗旱種源篩選與培育、消落帶植被選擇及池杉抗旱性育種提供一定的參考。利用不同濃度PEG-6000與Hoagland的混合液模擬不同程度干旱脅迫，測定干旱脅迫對3個(gè)種源池杉幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化特性的影響，并利用抗旱指數(shù)與主成分分析、隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法對其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：3個(gè)種源池杉幼苗的丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白含量以及超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶活性均隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高;浙江安吉和江西分宜種源的葉綠素a、b及總含量均隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高，而廣西憑祥種源的含量則呈先下降再上升的趨勢;浙江安吉和廣西憑祥種源的過氧化物酶活性隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高，而江西分宜種源的則呈先上升再下降的趨勢。經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，3個(gè)種源池杉幼苗的抗旱性強(qiáng)弱表現(xiàn)為浙江安吉>江西分宜>廣西憑祥。

關(guān)鍵詞：池杉;幼苗;干旱脅迫;滲透調(diào)節(jié)物質(zhì);抗氧化酶;抗旱性評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S791.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2022）01-0030-08

隨著全球氣候變暖加劇，極端天氣頻頻發(fā)生，干旱已經(jīng)成為影響植物正常生長發(fā)育的主要非生物脅迫因子之一[1]。研究表明，干旱作為一種多維脅迫，可以引起植物表型、生理學(xué)、生物化學(xué)和分子水平的一系列變化[2]，植物對干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)制與其形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合作用、滲透調(diào)節(jié)、抗氧化酶[3-6]等密切相關(guān)，一直是研究的熱點(diǎn)。目前對植物抗旱性鑒定的方法主要有田間直接鑒定法、人工控水鑒定法和高滲透溶液模擬干旱鑒定法等[7]，其中高滲透溶液模擬干旱鑒定法廣泛應(yīng)用于植物不同品種及種源間的抗旱性研究[8-10]。對植物品種及種源的抗旱性評(píng)價(jià)方法主要有分級(jí)評(píng)價(jià)法、隸屬函數(shù)法、抗旱指數(shù)法、主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法等[11]。近年來，熊仕發(fā)[12]、蔡建國[13]等越來越多的學(xué)者更傾向于將多種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，以提高抗旱性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

池杉[Taxodium distichum var. imbricatum（Nuttall）Croom]是杉科（Taxodiaceae）落羽杉屬（Taxodium）植物，亦稱池柏、沼落羽松。其樹干通直，材質(zhì)好，是我國重要的造林、園林樹種。因兼具生長快、耐水耐旱、抗風(fēng)、病蟲害少、易繁殖等特點(diǎn)，池杉已成為構(gòu)建消落帶植被的優(yōu)良適生喬木。目前國內(nèi)外學(xué)者對池杉的研究主要集中于繁育栽培及造林[14]、化學(xué)成分[15]，另外，在對其水分生理的研究中，耐淹性的研究也較為突出[16，17]，但關(guān)于其耐旱性的研究目前仍較匱乏，尚缺乏較為成熟的水分耐受性評(píng)價(jià)體系。在引種馴化及適生性評(píng)價(jià)方面，不同種源池杉對水分的耐受性仍不甚了然，加之消落帶常呈現(xiàn)出周期性的“水淹-落干-水淹”交替的水位變動(dòng)規(guī)律[18]，干旱是其遭遇頻度較高的生境脅迫之一。因此，本試驗(yàn)以不同種源池杉為研究對象，通過在霍格蘭（Hoagland）營養(yǎng)液中添加不同濃度聚乙二醇（PEG），開展不同梯度的干旱脅迫試驗(yàn)，從光合色素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累、抗氧化酶活性方面分析不同種源池杉對干旱的響應(yīng)，而后采用抗旱指數(shù)、主成分分析及模糊隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法對不同種源的池杉進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，篩選出抗旱性較強(qiáng)的種源，以期對其引種馴化、抗旱品種選育、消落帶植物選擇提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院苗圃基地（108°35′E，22°92′N）進(jìn)行。該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.6℃左右，40.4℃為極端最高溫，-2.1℃為極端最低溫;年均降水量約為1304.2mm，雨水主要集中在夏季，年平均相對濕度為80%，干濕季分明，夏季潮濕，冬季干燥。試驗(yàn)地全年日照時(shí)間較長，雨水充足。

1.2 試驗(yàn)材料

供試植物為浙江安吉（ZJAJ）、江西分宜（JXFY）、廣西憑祥（GXPX）3個(gè)種源的池杉幼苗。2019年11月分別從浙江安吉縣龍山林場、江西分宜縣中國林業(yè)科學(xué)研究院亞林中心、廣西憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心采集3個(gè)種源的池杉種子，帶回廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院苗圃基地干藏，2020年3月播種于該基地苗圃沙床中，待種子萌發(fā)且長勢良好后，移入12cm×10cm的育苗杯中，每杯一株，基質(zhì)為純椰糠，置露天培育，定時(shí)定量澆水，自然光照，待苗高40cm左右時(shí)，選取生長一致的幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在Hoagland營養(yǎng)液中分別添加6個(gè)比例梯度的PEG-6000：0（CK）、5%、10%、15%、20%、25%，每處理10個(gè)生物學(xué)重復(fù)，每重復(fù)1株幼苗，每種源共需60株幼苗，3個(gè)種源合計(jì)180株幼苗。2021年6月，將3個(gè)種源的池杉幼苗從育苗杯中取出，先用清水洗凈附著于根系表面的栽培基質(zhì)及其他雜質(zhì)，立即置于Hoagland完全營養(yǎng)液中平衡3天，之后將幼苗根部完全浸入裝有不同濃度PEG-6000與Hoagland混合液的燒杯中進(jìn)行模擬干旱脅迫，CK則將幼苗根部完全浸入裝有純Hoagland完全營養(yǎng)液的燒杯中。處理2天后采樣，進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)的測定。

1.4 測定指標(biāo)及方法

選取每處理組中長勢一致的植株，采摘相同部位成熟功能葉，剪去主脈，測定各生理指標(biāo)，每處理重復(fù)3次。葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合浸提法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)-G250染色法測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑光還原法測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用紫外分光光度法測定。具體操作均參考李合生[19]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用MicrosoftWord和Excel2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及圖表繪制，用SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、差異顯著性檢驗(yàn)（Waller-Duncan’s法）和主成分分析。

為消除池杉種源間基礎(chǔ)性狀的差異，參考蔡建國[13]、謝小玉[20]、李素[21]等的方法，引入抗旱指數(shù)這一相對指標(biāo)值對3個(gè)種源池杉的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及分析。公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對池杉幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可知，隨著干旱脅迫程度的增大，ZJAJ和JXFY種源的池杉幼苗葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量逐漸升高，而GXPX種源的各葉綠素含量先下降再上升。與CK相比，ZJAJ和JXFY種源的各葉綠素含量在各濃度處理下均顯著增加（P<0.05）。在5% PEG-6000處理下，ZJAJ和JXFY種源的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量較CK增幅均最小，且ZJAJ種源的增幅略高于JXFY，分別為37.74%、29.41%、33.33%，但兩種源間無顯著差異（P>0.05）。在10% PEG-6000處理下，GXPX種源的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量較CK降幅最大，分別為35.29%、24.65%、32.71%。在25% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量較CK增幅均達(dá)到最大值，其中ZJAJ種源的增幅最大，分別為141.51%、85.29%、119.54%;GXPX的增幅最小，分別為75.00%、51.28%、66.36%;3個(gè)種源的葉綠素a和總?cè)~綠素含量差異顯著（P<0.05）。

2.2 干旱脅迫對池杉幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.2.1 可溶性糖含量 由圖2可知，隨著干旱脅迫程度的增大，3個(gè)種源的可溶性糖含量均呈逐漸升高的趨勢。與CK相比，3個(gè)種源的可溶性糖含量除5% PEG-6000處理外，其余各處理均顯著升高（P<0.05）。在5% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的可溶性糖含量較CK增幅均最小，ZJAJ、JXFY、GXPX分別為10.42%、5.66%、4.81%，三者間無顯著差異（P>0.05）。在25% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的可溶性糖含量較CK增幅均最大，GXPX、ZJAJ、JXFY分別為219.23%、117.71%、89.62%，GXPX種源的可溶性糖含量顯著高于后兩者（P<0.05），而ZJAJ和JXFY種源間的可溶性糖含量無顯著差異（P>0.05）。

2.2.2 可溶性蛋白含量 由圖3可知，隨著干旱脅迫程度的增大，3個(gè)種源的可溶性蛋白含量均呈逐漸升高的趨勢。與CK相比，ZJAJ種源的可溶性蛋白含量在PEG-6000各濃度處理下均顯著高于CK（P<0.05）;JXFY種源的可溶性蛋白含量除5% PEG-6000處理外，其余各處理均顯著高于CK（P<0.05）;GXPX種源的可溶性蛋白含量僅在20%和25% PEG-6000處理下顯著高于CK（P<0.05），其余各處理雖高于CK，但無顯著差異（P>0.05）。在5% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的可溶性蛋白含量較CK增幅均最小，ZJAJ、JXFY、GXPX 分別為7.73%、2.52%、1.75%，且三者間差異顯著（P<0.05）。在25%PEG-6000處理下，3個(gè)種源的可溶性蛋白含量較CK增幅均最大，GXPX、ZJAJ、JXFY分別為60.50%、40.77%、40.48%，GXPX種源的可溶性蛋白含量顯著高于后兩者（P<0.05），ZJAJ和JXFY間無顯著差異（P>0.05）。

2.3 干旱脅迫對池杉幼苗MDA含量的影響

由圖4可知，隨著干旱脅迫程度的增大，3個(gè)種源的MDA含量均呈逐漸升高的趨勢。與CK相比，ZJAJ和JXFY種源的MDA含量在PEG-6000各濃度處理下均顯著增加（P<0.05）;GXPX種源的MDA含量在5% PEG-6000處理下雖高于CK，但差異不顯著（P>0.05），其余各濃度處理下則均顯著高于CK（P<0.05）。在5% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的MDA含量較CK增幅均最小，ZJAJ、GXPX、JXFY分別為20.00%、17.78%、16.34%，且三者間差異顯著（P<0.05）。在25%PEG-6000處理下，3個(gè)種源的MDA含量較CK增幅均最大，ZJAJ、GXPX、JXFY分別為230.00%、176.67%、166.67%，且GXPX的MDA含量顯著低于ZJAJ和JXFY（P<0.05），而ZJAJ和JXFY間無顯著差異（P>0.05）。

2.4 干旱脅迫對池杉幼苗抗氧化酶活性的影響

2.4.1 SOD活性 由圖5可知，3個(gè)種源的SOD活性均隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高。與CK相比，3個(gè)種源的SOD活性在PEG-6000各濃度處理下均顯著升高（P<0.05），且GXPX種源的增幅均大于其余兩個(gè)種源。在5% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的SOD活性較CK增幅均最小，GXPX、ZJAJ、JXFY分別為7.73%、2.52%、1.75%;ZJAJ種源的SOD活性顯著高于JXFY（P<0.05），其余兩兩種源之間無顯著差異（P>0.05）。在25% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的SOD活性較CK增幅均最大，GXPX、JXFY、ZJAJ分別為164.52%、149.02%、118.78%;GXPX種源的SOD活性顯著高于ZJAJ和JXFY（P<0.05），而ZJAJ和JXFY間無顯著差異（P>0.05）。

2.4.2 POD活性 由圖6可知，隨著干旱脅迫程度的增大，ZJAJ和GXPX種源的POD活性均逐漸升高，而JXFY種源的POD活性則呈先升高再降低的趨勢。在CK處理下，JXFY種源的POD活性顯著高于ZJAJ和GXPX（P<0.05），而ZJAJ和GXPX間無顯著差異（P>0.05）。在5% PEG-6000處理下，ZJAJ、JXFY、GXPX種源的POD活性較CK增幅分別為125.85%、109.97%、41.67%，JXFY種源的POD活性顯著高于ZJAJ和GXPX（P<0.05），而后兩者間無顯著差異（P>0.05）。在15% PEG-6000處理下，JXFY種源的POD活性達(dá)到峰值，較CK增加171.20%，顯著高于其余兩個(gè)種源。在25% PEG-6000處理下，JXFY種源的POD活性最低，比CK低15.00%，但無顯著差異;ZJAJ和GXPX種源的POD活性則達(dá)到最大值，分別比CK高464.67%、266.67%;3個(gè)種源間POD活性存在顯著差異（P<0.05），ZJAJ種源最高，JXFY種源最低。

2.4.3 APX活性 由圖7可知，3個(gè)種源的APX活性均隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高。與CK相比，ZJAJ和JXFY種源的APX活性在PEG-6000各濃度處理下均顯著升高（P<0.05），而GXPX種源在5%和10% PEG-6000處理下升高不顯著（P>0.05）。在5% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的APX活性較CK增幅均最小，ZJAJ、JXFY、GXPX分別比CK高19.58%、16.93%、13.53%，但3個(gè)種源間無顯著差異（P>0.05）。在25% PEG-6000處理下，3個(gè)種源的APX活性較CK增幅均最大，ZJAJ、JXFY、GXPX分別比CK高79.90%、75.40%、55.43%，但3個(gè)種源間無顯著差異（P>0.05）。

2.5 不同種源池杉抗旱性綜合評(píng)價(jià)

為消除池杉種源間基礎(chǔ)性狀的差異，通過計(jì)算指標(biāo)的相對值求得抗旱指數(shù)（表1），并基于此進(jìn)行主成分分析，得到2個(gè)特征值大于1的主成分，貢獻(xiàn)率分別為75.79%、24.21%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)100.00%，保留了原始性狀的全部信息（表2）。在主成分1中，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素等具有較大的正載荷，說明主成分1主要與葉片光合色素含量的變化等相關(guān)，可稱為光和色素因子;在主成分2中，POD、可溶性糖、MDA、SOD等具有較大的正載荷，說明該主成分主要與植物體內(nèi)的抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等相關(guān)，可稱為防御調(diào)節(jié)因子。經(jīng)計(jì)算得到各種源的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值D（表3），據(jù)此判斷3個(gè)種源池杉的抗旱性由大到小依次為ZJAJ>JXFY>GXPX。

3 討論與結(jié)論

葉綠素是植物類囊體膜上色素蛋白復(fù)合體的重要組成部分，是光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)和主要影響因子，其含量高低可在一定程度上衡量植株的抗逆性[22]。本研究發(fā)現(xiàn)ZJAJ和JXFY種源的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高，這一方面可能與干旱脅迫下葉片的相對含水量下降有關(guān)，另一方面也反映了池杉在干旱脅迫下通過增加葉綠素含量來促進(jìn)光合有機(jī)物的積累及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成，以更好地適應(yīng)干旱環(huán)境，這與李鑫[23]、高昆[24]等研究干旱脅迫對粉葛[Puerariamontanavar.thomsonii（Bentham）M.R.Almeida]影響的結(jié)論相似。

而GXPX種源的葉綠素含量隨著干旱脅迫程度的增大呈先降低再逐漸升高的趨勢，這可能是該種源抗旱性較弱，輕度干旱脅迫下葉綠素合成受阻，但隨著干旱脅迫加劇，植株為維持正常生長，加大了葉綠素合成量，以促進(jìn)有機(jī)物的積累及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成，這與區(qū)智等[25]對燈臺(tái)樹[Alstoniascholaris（L.）R.Br.]的研究結(jié)論相似。

應(yīng)對干旱脅迫，植物可通過自身細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)作用來降低滲透勢，從而降低水勢，使細(xì)胞可以繼續(xù)從外界吸水維持膨壓[26]。可溶性糖、可溶性蛋白是調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透勢的重要物質(zhì)，能在一定程度上促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)活性氧的清除。本研究中3個(gè)種源池杉的可溶性糖、可溶性蛋白含量均隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸升高，這與趙英等[27]對蟛蜞菊[Sphagneticolacalendulacea（Linnaeus）Pruski]的干旱脅迫研究結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，抗旱性較弱的GXPX種源在重度干旱脅迫下可溶性糖含量顯著高于ZJAJ和JXFY，說明其在遭遇重度干旱脅迫下主要通過合成可溶性糖來適應(yīng)干旱逆境。

MDA為膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量可以直接反映細(xì)胞膜脂過氧化程度，從而間接反映植物的受害程度[28]。在干旱程度嚴(yán)重情況下，活性氧大量積累，引發(fā)細(xì)胞膜脂過氧化，從而使細(xì)胞膜受到傷害，導(dǎo)致MDA含量上升。本研究中，3個(gè)種源池杉的MDA含量均隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高，這與郭米山等[29]對國槐[Styphnolobiumjaponicum（L.）Schott]的研究結(jié)論相似。3個(gè)池杉種源均在25% PEG-6000處理下MDA含量增幅最大，表明該脅迫程度對細(xì)胞膜造成嚴(yán)重傷害，膜脂過氧化加重。

SOD、POD和APX是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可有效清除活性氧，減輕水分脅迫誘導(dǎo)的氧化傷害[30]。本研究中隨著干旱脅迫程度的增大，ZJAJ和GXPX種源的SOD、POD、APX活性及JXFY種源的SOD和APX活性均升高，但JXFY的POD活性呈先升高再降低的趨勢，這與陳夢園[31]對栓皮櫟（QuercusvariabilisBlume）的干旱脅迫研究結(jié)果一致。說明當(dāng)干旱脅迫超過一定程度后，活性氧清除機(jī)制可能遭到破壞，導(dǎo)致抗氧化酶活性下降，不足以清除活性氧，從而對植物膜系統(tǒng)的保護(hù)受限。

植物的抗旱性是由多種因素綜合作用形成的[32]，僅用某項(xiàng)抗旱指標(biāo)難以準(zhǔn)確、全面地反映其抗旱能力[33]。本研究通過主成分分析和隸屬函數(shù)法對3個(gè)種源池杉的抗旱性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明ZJAJ抗旱性最強(qiáng)，JXFY次之，GXPX最弱。但造成這種差異的原因還有待從分子水平進(jìn)一步研究。此外，本研究發(fā)現(xiàn)葉綠素含量、POD活性和可溶性糖含量是池杉幼苗在干旱脅迫下較為敏感的指標(biāo)，這與趙瑾[34]、高曉寧[35]等的研究不盡相同，可能是不同植物對于干旱脅迫的應(yīng)激機(jī)制不同導(dǎo)致。植物抗旱性綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的問題，不同研究篩選出的典型抗旱指標(biāo)是否具有通用性，還有待進(jìn)一步研究與論證。

綜上，不同種源池杉幼苗對不同程度干旱脅迫表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。抗旱性較強(qiáng)的ZJAJ種源幼苗的葉綠素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性和MDA含量隨著干旱脅迫程度的增大而逐漸升高，而抗旱性較弱的種源幼苗存在隨著干旱脅迫程度增大而出現(xiàn)葉綠素含量和POD活性下降的趨勢。經(jīng)主成分分析和隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)，3個(gè)種源的抗旱性由大到小依次為ZJAJ>JXFY>GXPX，可為抗旱育種應(yīng)用和消落帶植被栽培提供參考。